海军武器工程导论

反潜战系统

反潜战(ASW)通常(但不总是)涉及声纳的使用。尽管环境的变幻莫测使预测和利用变得困难，但没有一种能量能像声波那样在海洋中传播得如此之远而不造成重大损失。在本节中，我们描述了主要类型的声纳系统和一种非声系统(MAD)的工作原理。我们从最接近于基本雷达操作的系统开始，即主动声纳。

主动声纳

主动声纳系统的功能图如下:

图1所示。活跃的
声纳系统。

功能组件描述如下:

发射机．发射机产生出脉冲。它决定脉宽、PRF、调制(可选)和载波频率。输出功率可由操作人员控制。由于几个原因，源电平可能是有限的。如果驱动传感器的动力太大，它们就会产生空化(压力降得太低，水就会沸腾)。这就是所谓的淬火,它还会破坏传感器，因为当气泡在传感器表面形成时，正常的反压力就被消除了。由于正常的恢复力消失了，传感器的表面可以移动得太远(超出范围)并损坏自身。由于环境压力的增加，淬火功率极限随深度增加而增加。

另一种常见的限制最大源电平的现象是混响，这是周围水的直接体积的回声。混响电平(RL)随声源电平(SL)的增大而增大。在某些情况下，混响超过了噪音级(NL)，并将主导返回信号。由于混响总是从你投射的同一个方向返回，由方向性指数(DI)量化的背景噪声减少并不适用。当

Rl > nl - di，

这个系统据说是reverberation-limited．评价值方程必须加以修改，以反映以下情况:

流分布_活跃的(混响限制)= SL + TS - RL - DT

当系统混响受限时，显示将开始被主动声纳投射方向上靠近自己船的噪声所支配。解决办法是将功率降低到刚好低于限响的水平。

传感器阵列．每个传感器都是很少或没有方向性的简单元件。它们排列成一组以提高指向性指数，通过降低噪声来提高优值。传感器阵列在水平(或方位角)方向减少波束宽度，通常是圆形的，以便提供或多或少的完全覆盖，阵列后面的区域(舰船所在的位置)除外。该阵列由自己的船通过停止在后区域的阵列，并通过放入声音衰减材料来保护噪声。这一区域的船尾船体安装阵列，声纳系统不能从被称为挡板。

该阵列还配置为在垂直方向减小波束宽度。通常情况下，装在船体上的声纳阵列只能接收来自向下方向的声音，而不是直接前方的，因为来自海洋表面的噪音会破坏声纳的性能。

图2。典型垂直梁
圆柱形传感器阵列。

波束形成的处理器。每个传感器的输入/输出通过一个波束形成处理器，它对每个信号施加时间延迟或相移，以在特定方向上形成狭窄的波束。

图3。活跃的波束形成。

波束形成处理器形成的波束宽度将决定系统搜索时的方位精度。与双波束跟踪系统相同，声纳跟踪系统可以以牺牲信噪比为代价，极大地提高精度。

4)。双工器．双工器在主动声纳中执行与在雷达系统中相同的功能，即在脉冲熄灭时保护接收机不受发射机全功率的影响。它可以被认为是一个在发射器和接收器之间切换的开关。

5)。同步器．与雷达中的同步器起相同的作用。为系统提供整体协调和时间安排。为了进行距离测量，重置每一个新脉冲的显示。

6．)接收机．收集接收到的能量。接收器将功率水平与噪声进行比较，并设定一个阈值信噪比(DT)，以确定信号是否会以特定波束显示。如果DT设置过低，会出现很多误报。如果它太高，就会失去一些探测能力。
如果在传输中使用频率调制，接收机也可以解调返回信号。声纳系统通常使用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。

7)。显示．将所有检测信息转换成可视格式。有几种类型:

a扫描:在收听周期的一部分中沿单一波束发出的信号。如果目标在波束中，它将显示为凸起部分。

图4。a显示。

PPI:平面位置指示器。自顶向下(地理视图)。声纳系统必须依次搜索以真实或相对形式显示的个别波束。返回的强度由显示器上的强度表示。

图5。PPI显示器。

被动声纳系统

被动声纳系统与主动声纳系统有许多不同之处。下面是一个典型的功能图:

图6。被动声纳
系统。

水听器阵列．这些是探测目标发出的声能的敏感元件。同样，它们被排列成一个阵列以提高波束宽度。常见的结构是圆柱形或球形。圆柱形阵列工作在一个固定的垂直角度，通常向下。这种球型阵列在潜艇上很常见，垂直视野要宽得多。由于潜艇可能在它所追踪的物体下面，阵列必须能够在一定程度上向上看。大的向下角度只用于底部反弹检测。使用波束形成处理器(如下所述)，视场在垂直和方位角方向上被分解成单个波束。

图7。球面阵列显示
多个垂直的光束。

波束形成处理器．不像主动系统，在一个设定的方向发送和接收，被动系统必须听所有角度在所有时间。这需要非常宽的波束宽度。同时，为了定位源和屏蔽环境噪声，需要窄波束宽度。这两个目标由无源波束形成处理器同时实现。这个想法和主动系统非常相似。

图8。被动水听器
数组中。

无源波束形成处理器对信号应用一组独特的时间延迟/相移来创建一个特定的波束。不同的是，在无源系统中，这个过程会重复几次，每次都有不同的时间延迟/相移，以便几乎同时听到许多窄波束。结果是一组光束覆盖阵列的视场。

图9。被动的波束形成。

这些光束不应该被认为是来自单独的水听器。事实上，这样产生的每个波束都有一个狭窄的波束宽度，来自阵列的全孔径，而不是单独的水听器。

宽带显示．波束形成处理器的输出显示为轴承时间历史(BTH):

图10。轴承随时间的变化
(蓝芽)显示。

最新的信息在显示器的顶部。系统的波束宽度决定了这种显示器测量轴承的准确性。普通波束宽度约为5^o．从上到下显示的总时间可以被控制(在某种程度上)。一个只保留几分钟信息的快速更新显示对于轴承快速变化的密切接触是有用的。另一方面，较长的接触历史对于检测远距离接触更有用，因为这些接触的轴承变化缓慢。

4)。频率分析仪．频率分析仪把信号分解成不同的频率。这是信号的频谱。为了便于处理，频率被分成小频带，称为频率垃圾箱．每个箱的宽度称为分析带宽。

图11。频率分析。

声纳系统通过将分析带宽与窄带源带宽相匹配，可以获得相当大的信噪比改善。说明这一点的方法是通过两个反例。如果信号处理带宽太宽，那么来自信号之外的部分频谱的噪声就会被引入，从而降低信噪比。如果带宽过窄，则部分信号被排除在外，也降低了信噪比。现在应该很明显，当带宽与信号完全匹配时，最佳情况就会出现。这是可能的，当信号的特征是众所周知的，他们是大多数目标。




频率分析仪将信号分离(滤波)到离散的箱子里，里面的信噪比是最大的。来自目标信息的信号的频率内容提供了关于其身份和操作的重要信息。这些频率也受多普勒频移的影响，就像雷达一样，因此可以提供关于距离率的信息。这就要求准确地知道原始频率，但通常情况并非如此。然而，许多重要的事实可以通过接收频率随时间的变化推断出来。

窄带显示。对于一个特定的波束，频率的时间历程称为a瀑布显示。

图12。瀑布显示。

这可以用来从已经被另一个系统跟踪的联系人获取额外的信息。为了在窄带信息的基础上搜索联系人，需要一种不同类型的显示。一种可能是同时显示几个不同的光束，每一个都显示一个迷你瀑布显示，这被称为克．

图13。窄带克。

这是非常有用的，但需要操作人员高度集中，因为在任何时候都有更多的信息显示。许多系统要求操作员系统地搜索整个视场，一次只看几束光。

可变深度声纳(VDS)

可变深度声纳使用大型传感器，通过电缆从船上拖拽出可调节范围。浮力、船速和电缆范围的组合决定了传感器所处的深度。使用VDS有两个主要原因。在增加深度时，由于淬火极限较高，源电平(SL)可大大增加。这是由于传感器表面的背压增加所致。其次，VDS可以在层下操作。

回想一下，正声速比负声速的组合在界面上创建了一个层。这一层使得声音很难通过它传播。因此，除了可能在近距离外，使用船体安装声纳系统的船只将无法探测到在水下操作的潜艇。然而，如果VDS可以放置在层以下，船舶可以利用深声道，而在潜艇的声纳阴影区。

拖曳阵列声纳系统(TASS)

拖曳阵是水听器的线性阵。阵列被拖在船尾的可变范围电缆像VDS。然而，严格来说，它是一个被动系统。

图14。拖数组。

来自阵列的信号被引导到波束形成处理器，从而产生几个狭窄的波束。因为数组是线性的，所以没有垂直方向。这导致了两个问题。第一个问题发生在底部反弹传播时。在这种情况下，如果没有进一步的分析，源的方向是不知道的。

第二个问题是相对方位的模糊性。线性阵列无法区分左右两边的信号。

图15。轴承模棱两可
阵列。

方位模糊的问题可以通过操纵船舶来解决。当恢复接触，将再次有两个模糊的轴承，但只有一个将符合前一种情况(假设目标没有移动太多的腿)。

例如:在相对方位030/ 330r获得一个拖曳的阵列接触点，而船在航向045 T。船改变航向至135 T，并在060/ 300r重新获得接触点。

第一段:接触点在015 T或075 T(045 030)。

第二段:接触点在075 T或195 T (135 060)

因此，实际接触是在075吨。

由于阵列不受船舶大小的限制，拖曳阵列可以做得很长。因此，它们的波束宽度非常窄，或者可以在更低的频率下工作。低频能力特别有利，因为在低频有很多源，而且源电平大，吸收损耗很小。

声纳浮标

声纳浮标是小型、独立的声纳系统。它们被飞机投到水中，然后展开身体。声纳浮标的信息通过甚高频无线电链路传送给飞机。这些信息也可以传送到船只上。信号处理和分析是由飞机或船舶上的设备进行的。在运行一段时间后，声纳浮标将自己熄灭。

图16。Sonobouy部署。

声纳浮标有多种类型，视乎它们的能力而定:

定向指令启动声纳浮标系统。由飞机指挥时发射脉冲的主动系统。

DIFAR:声波测向接收机。这是一个无源系统，通过一个小型水听器阵列实现一些方向性。

VLAD:垂直薄线阵列。线性、垂直排列的DIFAR水听器。提高了垂直方向的方向性。减少表面噪音。

大多数声纳浮标可以在几个预设深度设置下工作。浅设置用于表面管道传播，深设置用于声道传播。

声纳浮标的指向性指数较差，主要是由于其大小有限。然而，价值值并不总是低的，因为声纳浮标也有非常低的自噪声。根据环境，以及是否自噪声占主导地位，声纳浮标实际上可以比一些更大的船体安装系统表现更好。

Bi-Static声纳

这是一个在一个位置进行传输的有源系统与在另一个位置进行接收的无源系统的组合。

数字
17.Bi-static声纳。

无源系统不会受到与标准有源系统相同的混响限制。源电平可以非常高(达到淬火极限)。有些系统使用具有难以置信的源级别的爆炸性驱动投影仪。来源可能远在目标的武器射程之外。而且传输损耗小于正常有源的全双向损耗。有时投影仪是声纳浮标。

Non-Acoustic检测

视觉

水面附近的潜艇很容易被视觉探测到。如果潜艇以超过几节的速度移动，任何突出在水面上的物体，如潜望镜、天线或桅杆，都会留下明显的尾迹。由于深度控制和舵机在低速时非常困难，潜艇在水面以下达到4或5节的速度并不罕见。桅杆会产生尾流，叫羽毛,这是相当明显的，也留下了一个残余物的通道，称为疤痕．疤痕是物体经过后留下的一长串泡沫或气泡。羽毛可能有几米长，伤疤可能有几十米长。它们中的任何一种都可能在10英里内可见，而且很容易被附近低空飞行的飞机发现。如果水特别清澈，船体可能在水下几百英尺可见，但通常很难分辨，除非水很浅，底部是浅色的(像白色的沙子)。

雷达

暴露的潜望镜和桅杆可以被专门设计的雷达探测到。雷达截面非常小，一般雷达系统无法探测到。此外，目标附近的海杂波通常会使目标变得模糊。为了有效对抗潜望镜或桅杆，雷达应该具有非常小的距离和方位分辨率，并且必须垂直极化以匹配目标的结构。ISAR已被证明对潜艇潜望镜和桅杆非常有效。

一些特殊的雷达系统已经证明，它们有能力通过潜艇经过时水面高度的变化来发现潜艇的存在伯努利峰．当潜艇很浅并且移动非常快时，这种效果是最大的。然而，这些都不是实时资产，因为信号处理需要几个小时才能完成。

红外探测

潜艇在浮潜时很容易被红外探测到，因为柴油废气是在接近水面的地方释放的(因为背压的限制)。废气释放出足够强的红外信号，足以被探测到。然而，这只有在潜艇浮潜时才有用，这对核动力潜艇来说非常罕见，柴电潜艇每天只有几个小时。

磁异常探测(MAD)

磁异常探测系统，测量地球磁场的变化，由于存在大量的铁材料在大多数潜艇中发现。只有当潜艇相对较浅时才能探测到这种影响，因此不是一个大的远程探测系统。然而，它可以提供潜艇的精确位置，具有足够的准确性，以允许运载武器，这是它的主要用途。